0 第7章（1-6）蜗杆传动机械设计基础

机械设计基础

（PPT课件）

左图所示为垂直升降电梯外观图，右图所示为台阶式电梯外观图。电梯是以电动机作为动力的，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输的目的。这里所用的减速器应该是何种结构的呢？具体应具有什么特点呢？第7章蜗杆传动7.1蜗杆传动的类型和特点7.2蜗杆传动的主要参数和几何尺寸

7.3蜗杆传动的失效形式、材料和结构7.4圆柱蜗杆传动的设计计算7.5蜗杆传动的效率、润滑和热平衡计算7.6工程应用案例—减速器第7章蜗杆传动本章知识要点了解蜗杆传动的常见类型、传动特点和应用场合；掌握蜗杆传动的几何尺寸计算；掌握蜗杆传动的强度计算方法；熟悉蜗杆传动的效率、润滑和热平衡。兴趣实践观察重型机械中所用的蜗杆机构，注意其自锁性能。思考探索蜗杆传动与交错轴斜齿轮传动比较，具有怎样的优点？蜗轮蜗杆减速机发生发热和漏油，可能的原因是什么？第7章蜗杆传动

蜗杆传动用于在交错轴间传递运动和动力。如图所示，蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件，通常交错角为90°。蜗杆传动的类型和特点蜗杆机构是由交错轴斜齿圆柱齿轮机构演化而来的，属于齿轮机构的一种特殊类型；特殊在于交错角为90°、很少。

蜗杆的形状像圆柱形螺纹，蜗轮形状像斜齿轮，只是它的轮齿沿齿长方向又弯曲成圆弧形，以便与蜗杆更好地啮合。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。右旋蜗杆左旋蜗杆蜗杆传动的类型和特点蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿；蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿；依此类推，设蜗杆头数为z1（一般z1=1-4），蜗轮齿数为z2、则传动比i为单、多头蜗杆蜗杆传动的类型和特点一、蜗杆传动的类型蜗杆传动种类繁多，常用的蜗杆传动分类如下：蜗杆传动圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动（ZC型）阿基米德圆柱蜗杆传动（ZA型）渐开线圆柱蜗杆传动（ZI型）法向直廓蜗杆传动（ZN型）锥面包络圆柱蜗杆传动（ZK型）蜗杆传动的类型和特点案例7-1请你设计一个右图所示卷扬机用的传动装置，要求结构紧凑，传动比大，请问你会考虑采用哪类机构实现？蜗杆传动的类型和特点二、蜗杆传动的特点1）传动比大，结构紧凑。一般动力传动，i=10~80；在分度机构或手动机构中，i可达300；若主要是传递运动，i可达1000。2）传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿无啮入和啮出的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音小。3）具有自锁性。当蜗杆的蜗旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。4）效率较低。5）蜗轮材料较贵。6）不能实现互换。蜗杆传动的类型和特点尽管蜗杆传动具有自锁功能，但为了安全起见，采用蜗杆传动的卷扬机、起重机械及电梯等都具有额外的制动装置。由于蜗杆传动具有上述特点，故一般用于功率不太大，且不作连续运转的场合。

对于重载，高速和要求精度高的重要传动，可选用圆弧圆柱蜗杆传动或平面包络环面蜗杆传动；对于速度高，载荷较大，要求精度高的多头蜗杆传动，宜选用渐开线圆柱蜗杆传动，或锥面包络蜗杆传动和法向直廓蜗杆传动；对于轻载低速的不重要传动，可选用阿基米德圆柱蜗杆传动。三、蜗杆传动的应用蜗杆传动的类型和特点案例7-1分析蜗杆传动具有单级传动比大,结构紧凑的有点，且具有自锁功能，起到安全保护的作用，可以采用蜗杆传动。蜗杆传动的类型和特点蜗杆传动的基本参数与基本尺寸计算是以中间平面上的参数与尺寸为基准的。中间平面:通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面。在中间平面上，蜗轮与蜗杆的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。蜗杆传动的主要参数和几何尺寸蜗杆传动的主要参数和几何尺寸1.模数m和压力角α一、主要参数在中间平面内，蜗杆与蜗轮的啮合相当于齿条和齿轮啮合。因而蜗杆轴向模数必等于蜗轮端面模数；蜗杆轴向压力角必等于蜗轮端面压力角，即标准规定压力角α=20°。模数m的值应符合标准值。蜗杆传动的主要参数和几何尺寸2.蜗杆分度圆直径d1由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，蜗杆的尺寸参数与加工蜗轮的蜗轮滚刀尺寸参数相同，为了限制滚刀的数目及便于滚刀的标准化，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。直径d1与模数m的比值(q=d1／m)称为蜗杆的直径系数。蜗杆传动的主要参数和几何尺寸案例7-2蜗轮齿数和蜗杆头数的选取是有限制的呢?还是可以随意选取?蜗杆传动的主要参数和几何尺寸3.蜗杆导程角γ和蜗轮螺旋角β在m和d1为标准值时，z1↑→γ↑正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且γ1＝β2。蜗杆传动的主要参数和几何尺寸案例7-2蜗轮齿数和蜗杆头数的选取是有限制的呢?还是可以随意选取?蜗杆传动的主要参数和几何尺寸4.传动比i、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2①蜗杆传动比i②蜗杆头数z1较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4。

蜗杆头数与传动效率关系蜗杆传动的主要参数和几何尺寸蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2=iz1。z2不宜太小（如z2＜26)，否则将使传动平稳性变差。z2也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。

蜗杆头数与蜗轮齿数荐用值表③蜗轮齿数z25.中心距总结：蜗杆传动参数蜗杆传动的主要参数和几何尺寸案例7-2分析蜗杆传动设计时，蜗杆头数越少，传动比越大；蜗轮齿数越多，传动越平稳。但是蜗杆蜗轮齿数的选择也是有限制的。蜗杆传动的主要参数和几何尺寸二、普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算见几何尺寸表三、蜗杆传动的正确啮合条件蜗杆传动的主要参数和几何尺寸四、蜗杆与蜗轮的转向关系——左、右手定则蜗杆传动的主要参数和几何尺寸若为右旋蜗杆，则用右手判断（左旋用左手），四指顺着蜗杆的转向空握成拳，大姆指所指反向为蜗轮在啮合点的速度方向。蜗杆传动的主要参数和几何尺寸一、蜗杆传动的相对滑动速度vsv1——蜗杆节点圆周速度

v2——蜗轮节点圆周速度

蜗杆蜗轮齿面间相对滑动速度vs

较大的vs引起：1.易发生齿面磨损和胶合

2.如润滑条件良好,有助于形成润滑油膜，减少摩擦、磨损，提高传动效率

蜗杆传动的失效形式、材料和结构

小思考7-1齿轮传动时，齿面啮合点是否也存在相对滑动速度？二、蜗杆传动的失效形式及设计准则失效形式蜗杆传动轮齿的受力情况与齿轮传动基本相同，因而失效形式相似。蜗杆传动齿面间具有很大的滑动速度，并且传动效率低，发热量大，所以蜗杆传动的主要失效形式是蜗轮齿面胶合和磨损。蜗杆传动的失效形式、材料和结构二、蜗杆传动的失效形式及设计准则设计准则在蜗杆传动中，由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋部分的强度总是高干蜗轮轮齿强度，所以失效常发生在蜗轮轮齿上。因而，通常只对蜗轮进行承载能力计算。对闭式蜗杆传动，通常是先按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲强度进行校核，并进行热平衡计算。对于开式蜗杆传动，则通常只需按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算。蜗杆轴的支撑跨距较大时，进行蜗杆的刚度计算。蜗杆传动的失效形式、材料和结构三、蜗杆和蜗轮的材料选择要求：1）足够的强度；2）良好的减摩、耐磨性；3）良好的抗胶合性；因此常采用青铜作蜗轮齿圈，与淬硬磨削的钢制蜗杆相配。高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr淬火。低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。蜗杆传动的失效形式、材料和结构锡青铜是指以锡为主要合金元素的青铜。含锡量一般在3～14%之间，主要用于制作弹性元件和耐磨零件。铝青铜是指含铝量一般不超过11.5%的青铜，有时还加入适量的铁、镍、锰等元素，以进一步改善性能；铝青铜可热处理强化，其强度比锡青铜高，抗高温氧化性也较好。四、蜗杆、蜗轮的结构1.蜗杆的结构2.蜗轮的结构

整体式

轮箍式（配合式）

螺栓联接式

镶铸式蜗杆传动的失效形式、材料和结构案例7-3蜗杆传动的设计过程可以完全根据齿轮设计步骤进行吗?蜗杆传动的设计计算蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相同，在不计摩擦力的情况下，轮齿上的法向力Fn可分解为互相垂直的三个分力：圆周力Ft、径向力Fr、轴向力Fa。蜗杆传动的设计计算力的大小

力的方向蜗杆传动的设计计算蜗杆传动的强度计算案例7-3分析蜗杆传动的设计过程与齿轮传动的设计过程类似，但也有所不同，主要针对蜗轮进行强度设计计算，一般设计步骤包括：（1）齿面接触疲劳强度计算；（2）齿根弯曲疲劳强度校核；（3）蜗杆刚度计算；（4）热平衡计算。另外，还需要注意自锁功能。蜗杆传动的设计计算一、蜗杆传动的效率η

1─涉及啮合摩擦损耗的效率；η

2─涉及轴承摩擦损耗的效率；η

3─涉及溅油损耗的效率；η

1是对总效率影响最大的因素，可由下式确定：所以z1↑→γ↑→η↑效率与蜗杆头数的大致关系为：式中：γ－导程角；

v－当量摩擦角。蜗杆头数1246总效率0.700.800.900.95蜗杆传动的效率、润滑和热平衡

小思考7-2数控机床精密分度机构的蜗杆传动机构，还需要考虑蜗杆传动的效率问题吗？二、蜗杆传动的润滑润滑的主要目的在于减摩与散热。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。润滑油润滑油粘度及给油方式润滑油量润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。详细介绍一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控制一定的油压。详细介绍蜗杆传动的效率、润滑和热平衡三、蜗杆传动的热平衡由于传动效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产生较大的热量。如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，破坏润滑状态，从而导致系统进一步恶化。系统因摩擦功耗产生的热量为：自然冷却从箱壁散去的热量为：αd—箱体表面的散热系数，可取αd＝(8.15~17.45)W/(m2•℃)；S

—箱体的可散热面积(m2)；t0—润滑油的工作温度(℃)；ta—环境温度(℃)。蜗杆传动的效率、润滑和热平衡在热平衡条件下可得：可用于系统热平衡验算，一般[∆t]=60~70℃，且t<90℃。可用于结构设计。蜗杆传动的效率、润滑和热平衡四、蜗杆传动的散热措施当自然冷却的热平衡温度过高时，可采用以下措施：1.加